摘  要：首先介紹A5191HRT型HART調制解調器的原理。A5191HRT內部集成了符合Bell202標準的較完整的調制解調電路，與微處理器接口方便，便于構建智能現場儀表的HART協議通信模塊電路。最后給出某智能現場儀表基于A5191HRT和AD421型電流環(huán)數，模轉換器的HART協議通信模塊設計。
關鍵詞：HART協議；串行通信；頻移鍵控；調制解調器

1 引言
    20世紀70年代中期，工業(yè)控制儀表發(fā)展為統一的二線制4 mA~20 mA電流環(huán)標準模擬信號體制。80年代后，數字技術的發(fā)展使大量智能控制儀表采用了微控制器(MCU)，儀表與控制設備之間傳輸的信息量增加，迫切需要一種全數字雙向通信規(guī)范。美國Rose—mount公司制定的HART協議是兼容現行4 mA一20 mA模擬系統的過渡性現場總線標準，得到了非常廣泛的應用，成為智能工業(yè)控制領域事實上的國際標準。

    AMI Semiconductor公司的A5191HRT型HART調制解調器用于構建智能現場儀表的HART協議通信模塊，具有外圍電路簡單和工作可靠性高等特點。

2 HART協議
    HART(Highway Addressable Remote Transducer)協議是美國Rose—mount公司于20世紀80年代中期推出的，主要用于現場智能儀表和控制系統間的數字通信。HART協議在低頻的4 mA，20 mA模擬信號上疊加音頻數字信號，進行雙向數字通信．具有同時進行點對點4 mA～20 mA模擬和數字通信、多站通信方式、多種信息傳輸、開放的體系結構可免費獲得等優(yōu)點。

    HART協議參考ISO／OSI模型(開放系統互聯模型)，采用簡化的3層模型結構，即第一層物理層、第二層數據鏈路層和第七層應用層。物理層規(guī)定信號的傳輸方法，采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻4 mA一20 mA模擬信號上疊加音頻數字信號進行雙向通信，數字信號幅度為0．5 mA，數據率達1200 b／s，以1200 Hz代表邏輯…1’，2200 Hz代表邏輯…0’。FSK頻移鍵控信號波形如圖1(a)所示。
數據鏈路層規(guī)定HART協議幀格式．實現建立、維護、終結鏈路通訊的功能。應用層為HART協議命令集，用于實現HART指令。

    HART協議的FSK頻移鍵控信號和4 mA～20mA電流環(huán)模擬信號疊加后同時傳輸的示意圖如圖1(b)所示。由于FSK信號的平均值為0，所以不影響傳送給控制系統的4 mA一20 mA電流環(huán)模擬信號的大小．保證了與現有模擬系統的兼容性。

3  A5191HRT的工作原理
3．1  ASl91HRT的性能與引腳功能
    A5191HRT是應用于HAftT現場儀表的單片CMOS調制解調器，其主要性能如下：
    (1)單片、半雙工1200 b／s速率的頻移鍵控(FSK)調制解調器，可替代SYM20C15；
    (2)Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，載波為1200Hz和2200 Hz；
    (3)內部集成了接收帶通濾波器電路和發(fā)送信號波形整形電路：
    (4)外接460．8 kHz晶體或陶瓷濾波器內部時鐘振蕩器或者使用外部輸入時鐘；
    (5)工作溫度范圍為一40℃~+85℃；
    (6)電源電壓為3．O V～5．0 V；
    (7)滿足HAftr協議物理層的要求；
    (8)功耗低。

    另外，為了節(jié)省功耗，A5191HRT在進行發(fā)送操作時可將接收電路關閉，進行接收操作時也可將發(fā)送電路關閉．這種工作方式適合于HART協議的半雙工通信方式。

    A5191HRT采用28引腳PLCC和32引腳LQFP封裝，引腳排列如圖2所示。

主要引腳的功能如表1所示。

3．2 A5191HRT的內部結構與工作原理
    A5191HRT內部包括發(fā)送數據調制器與波形整形電路、載波檢測電路、接收濾波器與解調電路、控制邏輯和時鐘振蕩器電路。A5191HRT的內部結構如圖3所示．

    調制器接收不歸零數字碼并調制為FSK信號．以1200 Hz代表邏輯“l(fā)”．以2200 Hz代表邏輯“0”，數據率為1200 b／s，之后由波形整形電路將FSK信號整形為兼容HART協議要求的信號發(fā)送出去。接收濾波器完成輸入信號的帶通濾波，將信號送給載波檢測電路和解調器。載波檢測電路通過比較接收濾波器輸出信號和外部的參考電壓，在檢測到接收信號輸入引腳輸入有效的調制信號時輸出高電平。解調器在載波輸出有效時將經過濾波后的FSK輸入信號解調為數字信號輸出。時鐘振蕩器電路產生460．8 kHz的時鐘信號，可以使用內部振蕩器電路產生時鐘信號．此時需要外接一個晶振．也可以直接輸入外部時鐘信號。控制邏輯電路用于控制A5191HRT內部各個電路模塊的工作．例如發(fā)送操作和接收操作的切換。

4 HART協議通信模塊的設計
4．1 HART協議通信模塊的硬件電路設計
    某智能現場儀表要求HART協議通信模塊完成與主機(上位機)交換儀表的設置參數、中間測量數據、校準參數等信息傳輸．以及將儀表測量結果的數字碼轉換為4mA～20 mA標準模擬電流環(huán)信號的輸出的功能。設計完成的HART通信模塊結構框圖如圖4所示。

    HART協議通信模塊主要由現場儀表內的MCU、A5191HRT和AD421型DAC組成。其中．AD421接收MCU傳送的數字信號并轉換成4 mA～20 mA電流輸出，傳輸測量結果：A5191HRT接收疊加在4 mA一20mA環(huán)路上的FSK信號．解調后傳輸給MCU．或將MCU產生的應答幀信息調制成FSK信號經波形整形器后由AD421疊加在4 mA一20 mA環(huán)路上發(fā)送出去。
 
    由于A5191HRT內部集成了較完整的HART調制解調電路．所以其外圍電路只需較少的無源元件。A5191HRT的外圍電路原理如圖5所示。

    圖5中，A5191HRT與MCIJ的接口信號包括載波檢測OCD、HART解調輸出ORXD、HAIl'r調制輸入ITXD、請求發(fā)送INRTS:Loop+為4 mA~20 mA環(huán)路輸入：HART調制解調的時鐘信號源于外接的460．8 kHz晶體產生振蕩。

    AD421是ADI公司的高性能單片DAC,它兼容HART協議的FSK通信電路，適合低功耗、高精度、低成本的智能工業(yè)控制應用。AD421由電壓調整器、∑一△結構DAC核和電流放大器組成．可將16bit數字碼轉換為對應的4 mA～20 mA模擬電流。

4．2 HART協議通信模塊的軟件設計
    HART協議通信模塊的軟件設計包括HART協議的軟件設計和MCU對AD421的控制程序設計。前者包括HART協議數據鏈路層的通信程序設計和應用層的軟件界面設計．是整個模塊軟件設計的主要部分。

    HART協議通信模塊的通信過程由主機發(fā)送命令幀開始，現場儀表作為從設備使用中斷調用子程序來完成接收和應答?，F場儀表上電復位后，通信程序首先初始化HART協議通信模塊。例如設定MCU的UART工作方式、串行通信波特率、數據幀格式和中斷等后進入等待狀態(tài)。主機發(fā)送命令時，A5191HRT的載波檢測OCD變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)MCU的UART中斷．調用接收子程序。MCU完成主機命令的接收和處理后，生成應答幀并傳輸給A5191HRT．調制成FSK信號傳輸給主機，完成后再將HART協議通信模塊設置為等待狀態(tài)。

    HART協議通信模塊采用這種中斷調用子程序的方法完成現場儀表和主機之間的通信，可以實現主機對現場儀表的各個工作參數的設置、測量結果的讀取、儀表工作狀態(tài)的檢測等功能，并且具有程序設計靈活的優(yōu)點。

5  結束語
    HART技術在國外已經很成熟。并以其自身突出的優(yōu)點成為智能控制領域中應用最廣泛的現場通信協議。可以預見，在今后很長一段時期內，HART技術將在我國現場儀表的智能化研制和改造中發(fā)揮重要作用。設計實踐證明，使用A5191HRT設計智能現場儀表的HART協議通信模塊具有電路設計簡單、工作可靠性高的優(yōu)點，參考價值和實用價值較高。